Energie-1 waterstof23pptx

1. Energie-1 ____________________________________________________________________________ Senior Onderzoeker – Energietransitie/ Docent – Elektrotechniek Research andInnovation Centre Techniek, Ontwerpen en Informatica (RIC-TOI)docentenkamer ET (L0.29) Email: Robert.Zoetmulder@inholland.nlM +31 6 296 307 88 | Bergerweg 200 | 1817 MN Alkmaar | NederlandHogeschool Inholland | Techniek, Ontwerpen & Informatica | Elektrotechniek Robert Zoetmulder

2. + extra uitgereikt materiaal Bram Entrop, 5e druk, 2020 Deze foto van Onbekende auteur is gelicentieerd onder CC BY-NC-ND

3. Inhoudsopgave Week 6 Hoofdstuk 11 Waterstoftechnologie Week 5 Hoofdstuk 10 Elektrische opslag technologieën Week 3 Hoofdstuk 5 Energie uit water Week 1 Hoofdstuk 2 - Energievoorziening- Week 2 Hoofdstuk 4 - Windenergie- Week 4 Hoofdstuk 6 Elektriciteit uit zonne-energie Week1 Introductie en Hoofdstuk 1 Energie en Energie- Gebruik- Week 7 Hoofdstuk 14 Elektriciteit Transport en Distributie

4. Energie 1- week 6H11 – Waterstoftechnologie • Het element Waterstof in de vrije natuur is H2 of di-waterstof Onder normale omstandigheden een gas. Je ziet en ruikt het niet. Waterstof is het kleinste element Wat wij kennen, (periodiek systeem) Één Proton en één elektron als elektronen- ’wolk’ erom heen.

5. Energie 1- week 6H11 – Waterstoftechnologie • Het element Elektriciteit is energieoverdracht tussen elektronen. Wanneer we bij een atoom een elektron weghalen houden we een proton Over, als tegenhanger van de elektron. Waterstofprotonen lijken in gedrag dan ook op elektriciteit. 2e beeldvorming: koolwaterstoffen, CxHy. Benzine bestaat vooral uit octaan C8H18. En aardgas vooral uit methaan CH4. Je zou kunnen zeggen dat waterstof C0H2de kortste koolwaterstofverbinding is en lijkt in veel aspecten op die van CH4 Rol: Waterstof kan dus ingezet worden als energiedrager! Er zijn twee beeldvormingen die helpen om Waterstof te positioneren.

6. Energie 1- week 6H11 – Waterstoftechnologie • Historisch perspectief De ontdekking: In 1671 had Robert Doyle het vermoeden van het bestaan van H2. Hij kwam erachter dat er een brandbaar gas vrijkwam bij een reactie tussen ijzer en verdund zuur. Henry Cavendish ontdekte in 1766 dat het om een chemisch element ging.(hij deed onderzoek naar eigenschappen van zuren). Belangrijk voor de praktische toepassing van waterstof was de ontdekking van de brandstofcelprincipe door Schönbein in 1839 In 1843 presenteerde William Grove de elektrochemische cel. Dit is de voorloper van de huidige brandstofcellen en elektrolysers

7. Energie 1- week 6H11 – Waterstoftechnologie • Historisch perspectief Ondanks de visies en perspectieven is waterstof nog steeds niet doorgebroken. Oorzaken?: De commerciële keuze van fossiele brandstoffen valt voor H2 negatief uit. De ontwikkeling heeft achter gelegen. We hebben aardgas vandaar dat de ontwikkeling van apparatuur voor methaan eerder doorontwikkeld zijn. En apparatuur voor elektriciteit. Toepassing van H2 vereist aanpassingen in onze infrastructuur, W&R, maatschappelijke-organisatie. Waterstof, hoewel belangrijk wordt geacht, vormt slechts een schakel in de keten voor een 100% duurzame energiesysteem. Club van Rome: In 1968 is een significante rol benoemd voor waterstof als verduur- zaming van onze energie-infrastructuur.

8. Energie 1- week 6H11 – Waterstoftechnologie • Rol van Waterstof in duurzaam Energiesysteem 1)De energietransitie kenmerkt zich in de verschuiving van centrale regelbare opwekking van elektriciteit naar niet-regelbare decentrale (verspreide) opwekking door wind en zon a) Onbalans tussen vraag en aanbod b) Overschrijding van Netwerkcapaciteit Twee parallelle ontwikkelingen 2)Steeds meer gebruikers op het elektriciteitsnet; warmtepompen, auto’s, datacenters, die ook nog op dezelfde momenten elektriciteit vragen van het net. Twee parallelle ontwikkelingen leiden tot twee uitdagingen voor ons net: Het oplossen van deze uitdagingen is wettelijk gezien voor de Netbeheerders Meer duurzame energie door inzet van wind- en zonne-energie.

9. Energie 1- week 6H11 – Waterstoftechnologie • Rol van Waterstof in duurzaam Energiesysteem Met Waterstof is het mogelijk elektrische energie over langere tijd (seizoenen) op te slaan en dit op alle niveau’s van het elektriciteitsnet. Grootschalig in gasvelden of zoutputten. Of lokaal in het laagspanningsnet, bijvoorbeeld fuelcells Hiermee gekomen tot de rol van waterstof:

10. Energie 1- week 6H11 – Waterstoftechnologie • Rol van waterstof Een auto die op waterstof rijdt betekent een batterij-elektrische auto minder, minder laden, minder netbelasting Een dergelijk energiesysteem is in Nederland of België nog niet werkzaam of gedemonstreerd.

11. Energie 1- week 6H11 – Waterstoftechnologie • Toepassingen: Inzet van H2 voor verduurzaming van ons energiesysteem is slechts één van de toepassingen. Dus voor meer marktsegmenten en functies toepasbaar

12. Energie 1- week 6H11 – Waterstoftechnologie • Toepassingen: Industrie: In de industrie is H2 een brandstof of hulpstof. Het is een standaard verkrijgbaar product, een commodity. Toegepast in de olie-industrie. Door toepassing van H2 het ‘kraken’ van lange CH-ketens in de Hydrocrackers. Grondstof voor de productie van ammoniak H2 als hulpstof bij het walsen van staal, door waterstof tijdens het walsen over het staal te leiden reageren onzuiverheden zoals C-verbindingen. Gebruikt bij het lassen, bijvoorbeeld van sieraden. Weinig verbrandingsresten In de voedingsindustrie, als hulpstof voor het creëren van een beschermende atmosfeer voor de levensmiddelen.

13. Energie 1- week 6H11 – Waterstoftechnologie • Mobiliteit Personen auto’s waterstofgas in brandstofcel. In 2018 als belangrijkste elektrische toepassing geacht. 700Bar nodig aan gasdruk om die hoeveelheid mee te kunnen nemen om aan de verwachtingen te kunnen voldoen. Nog geen laadinfrastructuur Voor de hand liggender is het toepassen van H2 voor bussen, voordelen: Versnellen en vertragen makkelijker dmvfuelcell aangedreven elektromotor. Één waterstoftankstation nodig op de remise Betere verhouding tussen volume en vermogen dan bij een personen auto

14. Energie 1- week 6H11 – Waterstoftechnologie • Mobiliteit Voor landbouwvoertuigen wordt ipv H2 methanol (CH4O) als betere keus bevonden voor brandstof. Ook voor de maritieme sector wordt ipv H2 methanol als betere brandstof gezien.

15. Energie 1- week 6H11 – Waterstoftechnologie • Gebouwde omgeving en energieinfrastructuur Gemiddelde huis gasaansluiting een capaciteit van 6m3 aardgas/uur. Wat overeenkomt met een vermogen van 60kW Een gemiddeld huishouden heeft een vermogen van 9kW. Vervangen door elektriciteit lijkt zeer moeilijk. Mede om die reden bekeken of het mogelijk is om lokaal waterstofgas te verbranden in ketels als vervanging van aardgas. Per kilogram H2 komt 121 MJ aan warmte vrij (onderwaarde).

16. Energie 1- week 6H11 – Waterstoftechnologie • Bijmenging bij aardgas Bij verbranding van H2 vermengt met aardgas ontstaan er verschillen: Gastransitie van stadsgas naar Gronings aardgas. Stadsgas is vergassing van fossiel steenkool en bestond uit methaan, koolmonoxide en waterstof. Vlamlengte wordt korter, Vlamintensiteit hoger waardoor mogelijk meer veroudering van de brander. Stabiliteit van de vlam neemt toe met hogere fractie H2. De Wobbe-index veranderd nauwelijks, is compatibiliteits index van een brander voor verschillende brandstoffen.

17. Energie 1- week 6H11 – Waterstoftechnologie • De Brandstofcel De elektrochemische cel: De electrolyzer: omgekeerde van een brandstofcel wordt bij elektrolyse water met elektriciteit elektrochemisch gesplitst in waterstof en zuurstof. ….+ warmte De electrochemische compressor: met behulp van elektrische stroom waterstof op druk brengen. De Brandstofcel converteert waterstof met zuurstof elektrochemisch naar elektriciteit en warmte

18. Energie 1- week 6H11 – Waterstoftechnologie • De Brandstofcel De elektrochemische cel: Bij de brandstofcel ligt de focus op het type PEM-technologie. Eigenschap van een elektrolyt is dat het ionen kan transporteren maar elektronen blokkeert. In een PEM cel is deze laag van een specifiek plasticsoort (Merknaam Nafion) dus een vast elektrolyt.

19. Energie 1- week 6H11 – Waterstoftechnologie • De brandstofcel Metaal of koolstofhoudend composiet Dunne poreuze mat van koolstofvezel Anode; dunne laag koolstof met katalysator Elektrolyt

20. Energie 1- week 6H11 – Waterstoftechnologie • De brandstofcel Drie reacties in de elektrochemische cel: Om de reactie op gang te houden moeten de elektronen van de anode van de bovenste cel getransporteerd worden via een belasting naar de kathode van de onderste cel van de stack. Dit transport is de elektrische stroom.

21. Energie 1- week 6H11 – Waterstoftechnologie • Fuelcells

22. Energie 1- week 6H11 – Waterstoftechnologie • Van cel naar Stack Voor een PEM cel I=200A, U≈1V Hogere spanningen door serieschakeling van cellen Een stack van 100 cellen loopt tegen zijn grenzen aan van doorslagspanning door het koelwatercircuit. Vandaar …Demiwater Stacks tot 10kW gangbaar en tot 100kW technisch mogelijk. Groter betekend per individuele stack en inverter deze weer aan elkaar koppelen. Door het oppervlak van de cel te vergroten , vehogen we de stroom!

23. Energie 1- week 6H11 – Waterstoftechnologie • Relatie tussen spanning en stroom Door het oppervlak van de cel te vergroten , vehogen we de stroom! De relatie tussen de spanning op de aansluitklemmen van de fuelcellstack en de stroom wordt bepaald door het aantal cellen N in de stack en de relatie tussen de spanning en stroom van een enkele cel. We beschouwen de cel als een ideale spanningsbron. De spanning volgt uit de standaard elektrodenpotentiaal van twee halfreacties aan de anode(2) en kathode (3). Samen leveren ze het Nernstpotentiaal E0 van 1,23V. Er wordt pas energie geleverd wanneer er een stroom I_stack gaat lopen.

24. Energie 1- week 6H11 – Waterstoftechnologie • Relatie tussen spanning en stroom

25. Energie 1- week 6H11 – Waterstoftechnologie • De brandstofcel Er zijn een aantal componenten nodig om de stack goed te laten functioneren. Deze componenten noemen we de Balance of Plant (BOP) De BOP en de stack noemen we dan het brandstofcel- systeem.

26. Energie 1- week 6H11 – Waterstoftechnologie • Elektrolyse Omgekeerde werking van de brandstofcel .

27. Energie 1- week 6H11 – Waterstoftechnologie • Elektrolyse

28. Energie 1- week 6H11 – Waterstoftechnologie • Elektrolyse

29. Energie 1- week 6H11 – Waterstoftechnologie • Waterstof uit steamreforming

30. Energie 1- week 6H11 – Waterstoftechnologie • H2 opslag

31. Energie 1- week 6H11 – Waterstoftechnologie • H2 opslag

32. Energie 1- week 6H11 – Waterstoftechnologie • Compressie. Mechanische compressoren hebben een compressieverhouding;

33. Energie 1- week 6H11 – Waterstoftechnologie • Compressie

34. Energie 1- week 6H11 – Waterstoftechnologiegie • Analyse vragen

35. Energie 1- week 6H11 – Waterstoftechnologie • Veiligheid

36. Tekst+ Beeld S • Vragen en opgaven • Voor vragen en opgaven zie paragraaf 11.8. • Kennisvragen 1 t/m 5 • Analyse vragen 1 casus • Plaats de antwoorden in pdf format in Moodle, zie inleverboxen voor vragen H11. • Voor week 7 neem door: H14 Elektriciteitstransport en distributie

37. Bedanktvoor je aandacht! Tel: E-mail: 023 - 522 32 28 info@Inholland.nl Deze foto van Onbekende auteur is gelicentieerd onder CC BY-NC-ND